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       引線(xiàn)鍵合工藝廣泛應(yīng)用于芯片上的終端與半導(dǎo)體器件外部引線(xiàn)的連接。引線(xiàn)鍵合所使用的連接線(xiàn)一般由金制成，因?yàn)榻鹁哂锌寡趸治g能力和高導(dǎo)電性，同時(shí)可以很容易地通過(guò)熱壓縮法和超聲波焊接技術(shù)鍵合到指定位置。
    最近，銅作為金線(xiàn)鍵合的替代材料已經(jīng)快速取得穩(wěn)固地位，它的部分優(yōu)勢(shì)包括較高的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性， 較少形成金屬互化物，同時(shí)具備更好的機(jī)械穩(wěn)定性。
    本文試圖對(duì)銅與金引線(xiàn)導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性能方面的差異進(jìn)行量化，從而實(shí)現(xiàn)直接比較。根據(jù)材料對(duì)焊接引線(xiàn)寄生效應(yīng)的影響，以及對(duì)封裝級(jí)信號(hào)完整性的影響，對(duì)導(dǎo)電性能進(jìn)行評(píng)估。導(dǎo)熱性能則通過(guò)對(duì)兩種引線(xiàn)對(duì)散熱性能的提高方面進(jìn)行比較。同時(shí)還對(duì)直徑在 0.7-1.3 mil 之間的銅線(xiàn)和金線(xiàn)的性能進(jìn)行了評(píng)估。
    通過(guò)焊線(xiàn)的電流
    人們通常認(rèn)為電流總是通過(guò)最小阻力的路徑，但這句話(huà)只對(duì)于直流電是正確的。當(dāng)直流電信號(hào)進(jìn)行任何轉(zhuǎn)換時(shí)，電流會(huì)選擇阻抗最小的路徑。在頻率足夠高時(shí)（在兆赫范圍內(nèi)），最小阻抗路徑即為最小電感路徑。
    電流總以回路形式流動(dòng)，不論該回路由信號(hào)和回路導(dǎo)線(xiàn)構(gòu)成還是由電源和地線(xiàn)組成。因此，最小阻抗路徑通常為最小回路電感，同時(shí)考慮回路的兩引線(xiàn)之間相互連接的額外因素。
    阻抗是由電阻和電抗部分確定的，如等式1中所示。
 
    電抗可以是電容性的、電感性的或兩者都有。焊線(xiàn)主要是電感，電容效應(yīng)可以忽略不計(jì)，因此，在所有計(jì)算中均忽略電容。
    感抗是由下列關(guān)系（等式2）確定的，并與正弦切換頻率和回線(xiàn)電感成正比。
 
 
    圖1. 在本圖中，與電源相聯(lián)的導(dǎo)體（焊線(xiàn)）對(duì)信號(hào)導(dǎo)體沒(méi)有影響。信號(hào)回路電流循環(huán)以紫色顯示。
    圖1顯示導(dǎo)體（焊線(xiàn)）與電源相連，并假定回路對(duì)信號(hào)導(dǎo)體沒(méi)有影響 （回路導(dǎo)體的磁力線(xiàn)與信號(hào)不重疊）。
    在切換頻率接近直流時(shí)，電抗部分不存在或可忽略不計(jì)，因此，電流將通過(guò)導(dǎo)體整個(gè)表面迫使自己流入最小阻力路徑。當(dāng)頻率增加時(shí)，電抗部分開(kāi)始成為總阻抗的主要部分，同時(shí)，電流開(kāi)始重新分配，電感被最小化。
    電感依賴(lài)于導(dǎo)體周?chē)拇帕€(xiàn)數(shù)量，若使其最小化，磁力線(xiàn)的數(shù)量必須減少。通過(guò)重新分配更多電流至導(dǎo)體外層，磁力線(xiàn)的數(shù)量隨著導(dǎo)體的減少（圖2），會(huì)降低電感。當(dāng)頻率達(dá)到或高于幾百兆赫時(shí)，多數(shù)電流將集中在導(dǎo)體的外層。
 
    圖2. 電感依賴(lài)于導(dǎo)體周?chē)拇帕€(xiàn)的數(shù)量，若使其最小化，磁力線(xiàn)的數(shù)量必須減少。
    圖3示出了頻率分別為10 MHz, 100 MHz 和1 GHz時(shí)，焊線(xiàn)的電流分布橫截面。表中列出了從直流到1 GHz.過(guò)程中的阻抗的     電阻部分和電抗部分。從圖中可以明顯看出，頻率為10 MHz 時(shí)，電流占據(jù)了幾乎整個(gè)橫截面，與之相對(duì)應(yīng)的是，當(dāng) 1 GHz 時(shí)，電流主要占據(jù)在外層。
 
圖3. 當(dāng)頻率分別為10 MHz, 100 MHz和1 GHz時(shí)，引線(xiàn)的電流分配橫截面。
 
    當(dāng)頻率范圍達(dá)到約10兆赫時(shí)，阻抗的電阻部分占主導(dǎo)地位，電流會(huì)在導(dǎo)體的橫截面從內(nèi)向外分布。當(dāng)達(dá)到100兆赫或更高時(shí)，電抗占據(jù)主導(dǎo)地位，并且電流主要集中在外層，并試圖使電感最小化。電感本身并不隨頻率的變化而明顯地改變，幾乎一直保持在100兆赫以上，當(dāng)由直流到100兆赫時(shí)，減少幅度在5％以?xún)?nèi)。
   鄰近效應(yīng)
   在前例中，假定前提是信號(hào)離回路很遠(yuǎn)，并且沒(méi)有回路導(dǎo)體磁場(chǎng)的影響。但是，在大多數(shù)應(yīng)用情況下，當(dāng)信號(hào)導(dǎo)體與回路鄰近時(shí)，回路導(dǎo)體磁力線(xiàn)很可能會(huì)與信號(hào)導(dǎo)體重疊。
    當(dāng)通過(guò)信號(hào)和回路導(dǎo)體的電流向反方向流動(dòng)時(shí)，重疊的磁力線(xiàn)會(huì)相互抵消，兩者之間的相互電感會(huì)減少總的回路電感。隨著頻率的增加，電流重新分配至兩個(gè)導(dǎo)體，并形成最緊密的回路，使所遇到的磁力線(xiàn)的數(shù)目達(dá)到最小，因此，將兩者的邊盡可能地靠近（圖4）。因鄰近的回路降低了回路電感，使得總阻抗同時(shí)減少。

    圖4. 信號(hào)和回路頻率分別為10 MHz和1 GHz時(shí)的電流分布。隨著頻率增加，電流重新分配至兩個(gè)導(dǎo)體，并形成最緊密的回路，使所遇到的磁力線(xiàn)的數(shù)目達(dá)到最少，因此，將兩者的邊盡可能地靠近。
   典型焊線(xiàn)形狀
   在典型焊線(xiàn)應(yīng)用中，兩條線(xiàn)之間的距離一般是芯片壓焊點(diǎn)至封裝引線(xiàn)之間的線(xiàn)長(zhǎng)。芯片壓焊點(diǎn)一側(cè)的焊線(xiàn)余隙為2mils，在封裝引線(xiàn)一側(cè)的焊線(xiàn)余隙為8 mils以?xún)?nèi)。因此，在線(xiàn)的長(zhǎng)度范圍內(nèi)，磁場(chǎng)分布會(huì)發(fā)生變化，同時(shí)也會(huì)改變從芯片至封裝的焊線(xiàn)回路的阻抗。直徑為1 mil的金焊線(xiàn)的電流分配如圖5和6所示。
 
     圖5. 當(dāng)跨距分別為2 mil 和 8 mil時(shí)，1 GHz電流分配之間的對(duì)比。
 
    圖6. 當(dāng)跨距分別為2 mil 和 8 mil時(shí)，1 GHz電流分配之間的對(duì)比。
 
    跨距為 2 mil時(shí)的交流電阻稍高于跨距為8 mil時(shí)的電阻，因?yàn)榭缇酁?2 mil時(shí)的電流分配比跨距為 8 mil時(shí)的更集中。直流電阻在兩中情況下完全相同?；芈冯姼性诳缇酁?2 mil和8 mil的焊線(xiàn)之間存在極大的差異。對(duì)于跨距為8 mil的焊線(xiàn)，回路電感約為1.35 nH/mm，對(duì)于跨距為2 mil的焊線(xiàn)，其回路電感僅為0.8 nH/mm?；芈冯姼挟a(chǎn)生如此巨大差異是因?yàn)閷?duì)2 mil跨距焊線(xiàn)而言，信號(hào)與回路之間的跨距越小，磁場(chǎng)相消越明顯，并且伴隨著相互電感的增加，隨之也減少了有效的回路電感。對(duì)于較大的跨距而言，信號(hào)和回路之音較寬，外加幾乎沒(méi)有磁場(chǎng)重疊，從而產(chǎn)生較高的回路電感。
    為了說(shuō)明電阻-電感和阻抗存在的差異，通過(guò)跨距在2mil之間的四個(gè)不同的焊線(xiàn)跨距完成模型提取，四個(gè)電阻-電感平均值被用于比較兩種焊線(xiàn)類(lèi)型之間的性能。
    直徑為1mil的焊線(xiàn)性能
     銅比金的導(dǎo)電性能更好，所以在頻率范圍內(nèi)顯示出較低的電阻。但是，兩種類(lèi)型焊線(xiàn)之間的回路電感性能未發(fā)生變化，因?yàn)槠渑c材料的特性沒(méi)有明顯的依賴(lài)（僅在相對(duì)磁導(dǎo)率為1的情況下才正確，銅和金均適用）。由于阻抗明顯依賴(lài)于回路電感，在兩種類(lèi)型的焊線(xiàn)之間的頻率范圍內(nèi)，阻抗和頻率性能幾乎沒(méi)有差異，阻抗中的電抗部分快速超過(guò)了電阻的任何差異。因?yàn)閮煞N類(lèi)型的焊線(xiàn)之間的電感幾乎相同，電抗部分相同，因此，兩種類(lèi)型的焊線(xiàn)的阻抗和頻率性能相互重疊。當(dāng)接近直流時(shí)，阻抗的確產(chǎn)生變化，并且銅的阻抗較低些，因?yàn)殂~的直流電阻較低。
    焊線(xiàn)直徑的影響
    在直徑為0.7-1.3 mil范圍內(nèi)的焊線(xiàn)中，對(duì)兩種焊線(xiàn)材料之間的電阻和電感性能進(jìn)行比較。正如所預(yù)期的，直徑較大的兩種焊線(xiàn)均顯示出較低的電阻。當(dāng)電流為1GHz時(shí)，直徑為0.7, 0.8, 0.9, 1 和 1.3 mil的金線(xiàn)的電阻分別是0.42, 0.35, 0.32, 0.28 和 0.23 Ω/mm。對(duì)于每種焊線(xiàn)直徑，銅的電阻比金的低約20％。
    關(guān)于不同直徑焊線(xiàn)的回路電感性能，直徑較大的焊線(xiàn)在頻率范圍內(nèi)顯示出較小的回路電感。這是因?yàn)椋谙嗤目缇嘞?，直徑較大焊線(xiàn)的兩個(gè)引線(xiàn)比直徑較小焊線(xiàn)的兩個(gè)引線(xiàn)之間更近。這使直徑較大焊線(xiàn)的相互電感耦合增加，并導(dǎo)致較低的有效回路電感。當(dāng)電流為1GHz時(shí)，直徑為0.7, 0.8, 0.9, 1 和 1.3 mil的金線(xiàn)的電阻分別是1.16, 1.12, 1, 0.96 和 0.89 nH/mm。
    兩種類(lèi)型焊線(xiàn)的回路電感性能相同，正如之前所述，這是因?yàn)榛芈冯姼信c材料的特性沒(méi)有關(guān)系。頻率的影響也不明顯，回路電感在頻率范圍內(nèi)幾乎未發(fā)生變化。
     兩種類(lèi)型焊線(xiàn)的總阻抗性能相同，因?yàn)閮烧咧g的回路電感相同。直徑為1.3mil的焊線(xiàn)比直徑為0.7mil焊線(xiàn)的阻抗低約25％。
    多條焊線(xiàn)平行
    有時(shí)，特別對(duì)電源和地線(xiàn)而言，一般假定焊線(xiàn)數(shù)量的翻番會(huì)降低電阻和電感，因此，阻抗值應(yīng)減半。這種說(shuō)法并不一定正確；這取決于電源和地線(xiàn)在焊盤(pán)環(huán)上的相對(duì)排列方式。
    圖7顯示兩條電源線(xiàn)和兩條地線(xiàn)情況下的電流分配。正如從磁場(chǎng)分布所看到的，大部分電流集中在電源和地線(xiàn)的兩個(gè)最近的面，在另外兩條線(xiàn)上有少量電流。這是因?yàn)樽钚〉幕芈冯姼惺峭ㄟ^(guò)電流回路的兩個(gè)引線(xiàn)彼此離的盡可能近才得以實(shí)現(xiàn)的。
 
    圖7. 當(dāng)兩條地線(xiàn)跟著兩條電源線(xiàn)時(shí)，大部分電流集中在電源和地線(xiàn)的兩個(gè)最近的面，在另外兩條線(xiàn)上有少量電流。
    圖8顯示了電源和地線(xiàn)相互交替時(shí)的電流分配。在此種情況下，用于電流的表面區(qū)域要多于前一例，從而實(shí)現(xiàn)整體阻抗性能的提升。
 
    圖8. 用于電流的表面區(qū)域要多于前一例，從而實(shí)現(xiàn)整體阻抗性能的提升。
    我們來(lái)比較一個(gè)單獨(dú)電源接地環(huán)路和其它兩種設(shè)置之間的電阻、電感和阻抗性能，設(shè)置1兩條電源線(xiàn)和兩條地線(xiàn)，設(shè)置2兩條電源線(xiàn)和兩條地線(xiàn)相互交替。與單獨(dú)電源接地環(huán)路相比，在電流為1 GHz時(shí)，電阻減少約43％，在設(shè)置2的情況下（電源線(xiàn)和接地線(xiàn)交替），電阻減少約50％。與單獨(dú)電源接地環(huán)路相比，在電流為1 GHz時(shí)，回路電感降低22％，在設(shè)置2的情況下，接近57％。在較高的頻率下，阻抗由回路電感控制，因此，同樣可以看到設(shè)置1的情況下減少22％，在設(shè)置2的情況下，減少57％。
如前所示，銅與金線(xiàn)之間的與頻率相關(guān)的性能類(lèi)似，當(dāng)多焊線(xiàn)平行使用時(shí)，阻抗的提升與兩種焊線(xiàn)類(lèi)型一致。
   電流處理能力
   圖9顯示一條焊線(xiàn)在保險(xiǎn)絲熔斷之前所能處理的最大總電流。正如所料，相同的焊線(xiàn)直徑，銅比金能夠處理的電流稍多一些。同時(shí)，隨著焊線(xiàn)直徑的增加，焊線(xiàn)的電流處理能力也同比增加。
 
     圖9. 一條焊線(xiàn)在保險(xiǎn)絲熔斷之前所能處理的最大總電流。正如所料，相同的焊線(xiàn)直徑，銅比金能夠處理的電流稍多一些。
    對(duì)封裝導(dǎo)熱性能的影響
    雖然銅的導(dǎo)熱性比金好25％，整個(gè)封裝導(dǎo)熱性能的差異非常小。在引線(xiàn)封裝的情況下，一般的導(dǎo)熱電阻增加范圍在2％以?xún)?nèi)，在面陣封裝的情況下，性能沒(méi)有明顯差異。
   總結(jié)
   本文對(duì)金焊線(xiàn)和銅焊線(xiàn)的阻抗性能進(jìn)行了比較，材料對(duì)整體導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能的影響可以忽略不計(jì)。焊線(xiàn)直徑有明顯影響，較大直徑的焊線(xiàn)在跨距相同的情況下的整體阻抗較低。較大直徑焊線(xiàn)的阻抗更低，并不是因?yàn)楹妇€(xiàn)直徑本身，而是因?yàn)楹妇€(xiàn)直徑增加時(shí)，回路和信號(hào)導(dǎo)體之跨距離增加。如果減小焊線(xiàn)跨距，同時(shí)縮小焊線(xiàn)直徑，其阻抗性能將與較大直徑焊線(xiàn)在較大跨距的情況下相當(dāng)。